JP5826843B2 - Single belt omnidirectional treadmill - Google Patents
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Description
本発明は、一つの小領域から物理的に移動することなく、いかなる方向にでも歩き続けることができるトレッドミルに関する。本発明のトレッドミルは、多くのその他の技術と共に没頭的仮想現実の没頭技術を著しく向上させることができる。 The present invention relates to a treadmill that can continue to walk in any direction without physically moving from one small area. The treadmill of the present invention, along with many other technologies, can significantly improve the immersion technology of immersion virtual reality.
本願は、2011年7月28日に提出された米国特許出願番号第13/193,511号に対する、そして2010年7月29日に提出された仮出願番号第61/400,535号に対する優先権を主張する(その両方はこの引用によって、その全体が本明細書中に組み込まれる)。 This application claims priority to U.S. Patent Application No. 13 / 193,511 filed July 28, 2011 and to Provisional Application No. 61 / 400,535 filed July 29, 2010. Both of which are hereby incorporated by reference in their entirety).
さまざまなタイプの全方向トレッドミルあるいは同様の機能を有するデバイスが知られている。ある、そうしたトレッドミルが特許文献1に開示されており、それは、戦車のトレッドのように、それらが一緒に動くことを可能とする、ベルト回転の平面に対して交差するよう互いに固定された複数の高い縦横比のエンドレスな非動力供給トレッドミルを採用する。複数のトレッドミルは、この場合、全方向ホイールを、それらが横切って通過することを可能としながら、多数のトレッドミルに動力を供給する複数の全方向ホイールの上を、それらを通過させることによって動力供給される。 Various types of omnidirectional treadmills or devices with similar functions are known. One such treadmill is disclosed in U.S. Pat. No. 6,057,096, which, like a tank tread, allows a plurality of belts that are secured to each other to intersect a plane of belt rotation that allows them to move together. Adopt an endless non-powered treadmill with high aspect ratio. Multiple treadmills, in this case, by passing them over multiple omnidirectional wheels that power multiple treadmills while allowing them to pass across Powered.
別の、より大型の全方向トレッドミルが特許文献2に開示されており、これは、複数のエンドレスなトレッドミルを互いに取り付けるという同じ技術思想を利用し、そして、やはり戦車のトレッドのように、それらを動作させる。 Another, larger omnidirectional treadmill is disclosed in U.S. Patent No. 6,099,096, which utilizes the same technical idea of attaching multiple endless treadmills together, and also like a tank tread, Make them work.
多数のベルトを必要とする特許文献1に開示されたような従来技術とは異なり、本発明は、ただ一つのコンベアベルトを利用すると共に特性の点で著しく簡素でかつ製造がより簡単である全方向トレッドミルである。各トレッドミルセグメントのために別個のコンベアベルトを持つ代わりに、本発明の全方向トレッドミルは単一のコンベアベルトを利用する。本発明は、これによって、一方のベルトの動きを隣のものに伝達するために端部ローラーを接続するための複雑な手法を必要とせず、したがって、多数のベルトの張力を別個に調整する必要性が排除される、という利点をもたらす。この単一のベルトは、一方の高い縦横比のクロスビームから次のものへと送られる。全てのクロスビームは、各ビームの端部の下方でかつその付近に配置された二つの共通ローラーチェーンに取り付けられる。これら共通のローラーチェーンは、この場合、各端部におけるスプロケットによって平坦なトラックを動かす。 Unlike the prior art as disclosed in US Pat. No. 6,057,071, which requires a large number of belts, the present invention uses a single conveyor belt and is significantly simpler in terms of characteristics and easier to manufacture. Directional treadmill. Instead of having a separate conveyor belt for each treadmill segment, the omnidirectional treadmill of the present invention utilizes a single conveyor belt. The present invention thereby eliminates the need for complex techniques to connect the end rollers to transmit the movement of one belt to the next, and therefore requires the tension of multiple belts to be adjusted separately. The advantage is that sex is excluded. This single belt is fed from one high aspect ratio cross beam to the next. All cross beams are mounted on two common roller chains located below and near the end of each beam. These common roller chains in this case move the flat track by means of a sprocket at each end.
ローラーチェーンに取り付けられたクロスビームは、チェーンがその周囲を循環するスプロケットに対して接続されたモーターによって駆動される。これは、本明細書ではX方向と呼ばれる。Y方向の動作は、クロスビーム端部に取り付けられたローラーの周囲を、それが移動するときに、コンベアベルトに隣接しかつそれに接するよう配置された全方向ホイールによって実現される。 The cross beam attached to the roller chain is driven by a motor connected to a sprocket around which the chain circulates. This is referred to herein as the X direction. Movement in the Y direction is achieved by an omnidirectional wheel arranged adjacent to and in contact with the conveyor belt as it moves around a roller attached to the cross beam end.
全方向トレッドミルに動力を供給するモーターのための制御は、さまざまな様式で達成可能である。ある手段は、ユーザーの方向のトラック、速度およびトレッドミル上の加速度を維持するために、そしてこの情報を用いて、ユーザーのバランスがとれた状態ならびに主として中心に存在する状態を維持するために、Xbox Kinectのような赤外線検出デバイスを組み込むことであろう。 Control for the motor that powers the omnidirectional treadmill can be achieved in a variety of ways. One means is to maintain track, speed and acceleration on the treadmill in the direction of the user, and using this information to maintain a balanced state of the user as well as a state that is primarily central. An infrared detection device such as Xbox Kinect will be incorporated.
これは、おそらく、動作に関して十分であるが、それはユーザーから、実際に動いている場合にユーザーが通常感じるであろう慣性を奪う。たとえば、通常、全速力で走り、続いて減速しようとすることなく急に停止しようとした場合、当然ながら、前方に倒れるであろうし、あるいは全速力で、向きが変わるように体を傾けることなく、急激に向きを変えようとした場合、やはり転倒するであろう。もちろん、これが通常は起きないように、自然なバランスが自身の重心の下に自身の足を維持する。 This is probably sufficient for movement, but it deprives the user of the inertia that the user would normally feel when actually moving. For example, if you normally run at full speed and then try to stop suddenly without trying to slow down, you will naturally fall forward, or suddenly without tilting your body to change direction at full speed. If you try to change the direction, you will still fall. Of course, natural balance keeps his feet under his center of gravity so that this does not normally happen.
しかしながら、全方向トレッドミル上には、相対的に小さな現実的な動きしか存在しないので、ユーザーは、高速で走っていても、向きが変わるように傾くことはなく、あるいは停止前に後方に上体を反らせる必要もないであろう。これは、おそらく、ユーザーに調和を欠いた、あるいは僅かに一貫性のない感覚をもたらすであろう。 However, there are only relatively small realistic movements on an omnidirectional treadmill, so the user will not tilt to change direction even when driving at high speeds, or to move backwards before stopping. There will be no need to warp your body. This will probably give the user a sense of inconsistency or slightly inconsistency.
本発明の別な態様によれば、全方向トレッドミルは、X方向およびY方向の両方に傾動できるように設計される。傾動制御装置は速度コントローラーに接続でき、ユーザーの小さな加速度に比例して傾動するように全方向トレッドミルがプロクラムされることを可能とする。全方向トレッドミルは、ユーザーが速度を増大させている場合には、加速の方向に上向きに傾くように、そして速度を低下させている場合には下向きに傾くようにプログラムすることができ、制御加速度が命令する限り高くあるいは低く傾動しかつ持続する。この傾動は、ユーザーが走行するか旋回している方向に、ちょうどユーザーが実際にユーザー自身の重量を加速しているかのようにユーザーに少々苦しい運動をさせ、加速に関連する予期される感覚をユーザーに与える。 According to another aspect of the invention, the omnidirectional treadmill is designed to be tiltable in both the X and Y directions. The tilt control device can be connected to a speed controller, allowing the omnidirectional treadmill to be programmed to tilt in proportion to the user's small acceleration. The omnidirectional treadmill can be programmed to tilt upward in the direction of acceleration when the user increases speed and tilt downward when the speed is decreasing. Tilt and sustain as high or low as commanded. This tilting causes the user to do a bit of a bit of exercise in the direction the user is traveling or turning, just as if the user is actually accelerating his / her own weight, and the expected sensation associated with acceleration. Give to the user.
本発明のトレッドミルを制御するその他のあるいは付加的方法は、動的制御インターフェースを利用することである。ここで説明する例証的制御インターフェースは、スイベルハーネスを介して、マシンに対してユーザーを取り付ける。この取り付けは、ユーザーが前方に、横に体を曲げること、飛び上がること、そして何らかの方向に旋回することを可能とする。それはまた、ユーザーの制限された動きを可能とする。この動きは、コントローラーにユーザーのポジションおよび加速度を提供する。それはまた、慣性を模するために、ユーザー動作のある種の減衰を可能とする。このシステムのさらなる特徴は、それがユーザーの見かけの重量を変更するための手段を提供することである。ユーザーは、ハーネスインターフェースを介して、自身が望むのと同じくらい多いかあるいは少ない重量となることができる。そして、さらに他の特徴は、これによって、確実に、ユーザーがプラットフォームから偶発的に脱落することがなくなることである。 Another or additional way of controlling the treadmill of the present invention is to utilize a dynamic control interface. The exemplary control interface described here attaches the user to the machine via a swivel harness. This attachment allows the user to bend forward, sideways, jump up and turn in some direction. It also allows for limited user movement. This movement provides the user's position and acceleration to the controller. It also allows for some kind of damping of user action to mimic inertia. A further feature of this system is that it provides a means for changing the user's apparent weight. Through the harness interface, the user can be as heavy or light as he wishes. And yet another feature is that this ensures that users do not accidentally drop out of the platform.
当業者にとって、本発明の以下の説明は単なる例証であり、決して限定ではないことは明らかである。本発明のその他の実施形態も当業者には自明である。 It will be apparent to those skilled in the art that the following description of the present invention is merely illustrative and not limiting. Other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art.
本発明の例証的トレッドミルの構造および機能は図1ないし図7に示されている。トレッドミルは、一連のクロスビーム305を二つのローラーチェーン308上に設けることによって機能する(一つのローラーチェーンは図7に示すようにビームの各端部付近にある)。クロスビーム305はアルミニウムなどの素材から形成されてもよい。ローラーチェーン308は二つの平行なチェーンを形成するように組み合わされるが、それぞれが各端部にスプロケット204を備え、スプロケットベアリングはフレーム103に固定される。チェーンアセンブリ上のこれらビームの動作はX方向の動作を可能とする。Y方向の動作に関して、単一の螺旋状に巻回されたコンベアベルト313が採用される。コンベアベルト313は、上面にPVCカバーあるいは同等の素材を備えたポリエステル単繊維パイルから形成されてもよい。コンベアベルト313は、各ビームの両端に配置されたローラー307を取り囲んでいる。各ビームの外面においては、参照数字20によって示す僅かな反りをビームが持つことによって、ベルトはビームの長さに沿って接触状態で維持される。この反り(これは約1/2インチであってもよい)は、コンベアベルト313が窪みによって表面から離れることなく、ユーザーの重量によるクロスビーム305の撓みを許容する。
The structure and function of an exemplary treadmill of the present invention is shown in FIGS. The treadmill works by providing a series of cross beams 305 on two roller chains 308 (one roller chain near each end of the beam as shown in FIG. 7). The
クロスビーム305は、ナイロン6/6のような熱可塑性プラスチック素材から容易に成形でき、しかも、図13、図14および図15に示すような形状とすることができる。この例は、低コストで、軽量で、そして簡単に組み立てることができるクロスビーム305を実現する。
The
ここで、クロスビーム305に対するコンベアベルト313の動作について説明する。コンベアベルト313はビームの外側を移動し、そして端部ローラー307に向かって動作する。それは、続いて、ローラーの周囲を移動し、内側においてそれを離れる。ベルト313は、それが、アライメントローラー318の間を、続いてクロスビーム305につながるクリップ309を通り、続いて図9に示す二つのローラーチェーン308の一方へと移動する間、続いて捩れ動作を始める。それは、続いて、垂直に搭載されたローラーの周りで僅かに向きを変え、これによって、図8に示すように、次のクロスビームに向かってベルトの方向を僅かに変える。この状況では、ベルトはいまや90度捩れている。ベルトは、その後、捩れ続け、そしてビーム312の最終ローラーと出会う。各ビームは、一度に動作する二つのベルトトランスファーを有する。ローラー312の一方は、目下のクロスビームの前方でクロスビームへと動くコンベアベルト用のものであり、そしてローラー312の他方のものは、目下のものの後方のクロスビームからやって来るコンベアベルト用のものである。
Here, the operation of the
ローラー312はコンベアベルトを僅かに方向変換する。ローラー312は、ベルトがクロスビームと平行であるがスプロケットはローラーチェーンインターフェースと約同じ高さで保持されたままでいることを可能とする。ベルトが出会う次のローラー312は最後のものと平行であるが、次のビーム上に設けられる。このローラーと出会うとき、ベルト313は僅かに下方に戻るように方向変換される。ベルト313は、それが新しいビームの長手方向軸線と平行にそれが回動することを可能とする別なローラー310と出会うとき、捩れ続ける。当業者にとって、コンベアベルトが二つのローラー310間で180°捩れてしまうことは明らかである。それは、続いて、別な90°の捩れを伴って再びクリップ309を、続いてアライメントローラー318を通過し続け、続いてビームの端部ローラー307と出会う。このコンベアベルトアライメントリングの底面図は図8に示すとおりである。コンベアベルト313のこのある程度螺旋状の巻き付きは、全てのビームに関して繰り返される。したがって、ただ一つの(非常に長い)エンドレスなコンベアベルトが、Y方向の動作を実現するために必要とされる。垂直ローラー309がコンベアベルトを僅かに方向転換するために使用され、全方向ホイールがスムーズに動作することを可能とするためにクロスビームの長さから正確に90°だけ端部ローラー(307)を方向付けることが可能となる。
クロスビーム/ベルトアセンブリがX方向に移動する際にその移動範囲の平坦部分の終端にあり、かつ、ローラーチェーン308がスプロケット204と出会うとき、それは続いて回転しなければならない。ベルト313はこれを達成することができる。なぜなら、一対のローラー312間の位置においてクロスビーム間を移動するとき、それは、ローラーチェーン308と同じ半径306であり、したがって、図4および図5に示すように、互いに対する捩れ間をそれが通過している二つのクロスビームのように簡単に捩れるからである。
When the cross beam / belt assembly is moving in the X direction, it is at the end of the flat portion of its travel range, and when the
X方向の動作は、適切に減速された電気モーター104によって、スプロケット204に結合されたアクスルに動力を供給することによって達成される。Y方向の動作は、各ホイール102が端部ローラー307の周りで旋回するコンベアベルトに押し付けられることを伴って、減速された四つの駆動シャフト101上に設けられた全方向ホイール102によって達成される。各クロスビーム305は各端部にローラー307を有するので、これらホイールへの内向き圧力は互いに相殺され、したがって、各ホイールに加えられる圧力の大きさは、望むならば、容易に、高い加速度のもとでさえ、Y方向にコンベアベルトに動力供給するのに十分な摩擦を生み出すのに十分な、かなりのものとすることができる。端部ローラー/ホイールインターフェースは、上面ではローラーチェーンアセンブリによって、そして底面ではボールトランスファー311によって安定化される。
Movement in the X direction is achieved by powering the axle coupled to the sprocket 204 by an appropriately decelerated
付加的なサポートのために、クロスビームは互いにピン留めされることが可能であり、これは、ビームの一方側のテーパー状ロッド314aを他方の孔314に取り付けることで達成される。これは、各クロスビームが、いずれかの側で隣接クロスビームからのサポートを提供しかつそれを得ることを可能とし、これは、ユーザーがその上を歩行するとき、アセンブリ挙動をより均一な構造のようにする。
For additional support, the cross beams can be pinned together, which is accomplished by attaching a tapered
各クロスビームはまた、図9に示すように一方側においてコンベアベルトに隣接して突出する小フランジ316を備える。このフランジ316は、ベルト313がクロスビームから外れるのを阻止するのを助ける役割を果たす。
Each cross beam also includes a
ノイズおよび振動を低減するのを助けるために、位置決めピンを備えたクロスビームのインターフェース側は、その間に小さなギャップを持つように構成されてもよい。このギャップは、ゴムなどの弾性素材315の層を図9に示すように取り付けることを可能とするためのものである。
To help reduce noise and vibration, the interface side of the cross beam with locating pins may be configured with a small gap therebetween. This gap is for enabling a layer of
本発明の全方向トレッドミルは、ジンバル416あるいは類似のデバイス上に容易に搭載でき、そして、坂を模するために、かつ、高度な動作制御デバイスを可能とするために、図16、図17および図18に示すように、リニアアクチュエータ418を用いて、いかなる方向にでも傾けることができる。
The omnidirectional treadmill of the present invention can be easily mounted on a
ここで、概して、図19、図20および図21を参照すると、代表的な動的制御インターフェースは、四つの垂直チューブ601に対するスライド式取り付け部を備えた浮遊フレーム604をウエスト高に含む。プーリー602を介して垂直チューブの四つ全てに対して作用する単一のケーブルが存在する。このケーブルシステムは、全方向トレッドミルに対して同じ高さで浮遊フレームを維持する。浮遊フレームに加えられる垂直力の大きさは、垂直チューブ601の一つに接続されたピストンあるいはアクチュエータ606によって制御できる。
Referring now generally to FIGS. 19, 20, and 21, a typical dynamic control interface includes a floating
四つのベアリングブロック605は浮遊フレーム上を滑るが、これは、四つのロッド603あるいは図24Aおよび図24Bに示すような四つのシザー連結機構616のようなその他の機構を介してフープを保持する手段をもたらす。プーリー607およびケーブル613からなる二つの独立したケーブルシステムは、フープの一方側を反対側に接続する。あるシステムのケーブルはX方向の動作の間、並進運動し、かつ、あるシステムのケーブルはY方向の動作の間、並進運動する。これらシステムは、フープが、Xケーブル並進運動を伴わずにY方向に、そしてYケーブル並進移動を伴わずにX方向に動くことを可能とする。各システム用のケーブルはそれ自身の制御ユニットを通って延在する(図26Aないし図26Dに示すようにXに関しては614でありかつYに関しては615である)。制御ユニットを通って実際に延在するケーブルの一部は、ローラーチェーンあるいは制御ユニットと機械的に相互作用するその他の手段によって置き換えることができる。これらのユニットは、ユーザーに慣性の感覚を与える調整可能な減衰デバイスを含んでいてもよい。それらはまた、ユーザーと全方向トレッドミルの速度制御システムとの間の付加的なインターフェースを容易に提供できる。
Four bearing blocks 605 slide on the floating frame, which is a means of holding the hoop via four
ユーザーは、ヒップ位置において二つの側方ピボットポイント611を含むハーネス616を装着する。これらのピンは、ハーネスをピボットハーネスアセンブリ617に取り付ける。ピボットハーネスは、前後旋回接続部612を介して、二つのループローラー取り付けポイントに結合する。このアセンブリは、ユーザーが前後および横方向の両方に旋回することを可能とする。図26Aは、トレッドミル上で中立ポジションにあるユーザーの平面図である。ユーザーは、動いておらず、あるいは一様な動作状態にある。図26Bもまた平面図であり、この方向への並進移動を伴ってX方向に動いているユーザーを示している。図26Cは、Y方向に、この方向への並進移動を伴って動いているユーザーを示す平面図である。アセンブリはまた、フープローラー610およびケーブル609を介してフープ内で捩れることができ、したがってユーザーが図26Dに示すようにターンすることを可能とする。
The user wears a
動的制御インターフェースの特性によって、ユーザーが接続されたとき、ユーザーは、垂直アクチュエータ606によって適切な力を加えることによって、望ましい重量感覚を感じるようにすることができる。このアクチュエータは、ガスによって加圧されたプレナムに接続された空気圧あるいは油圧ピストンであってもよい。ガス圧を制御することによって、地球上の人物は、彼らが月面上にいるかのように感じることができ、あるいは月面上あるいは宇宙空間の人物は、まるで彼らが望むほど多くの重さがあるかのように感じることができる。
The characteristics of the dynamic control interface allow the user to feel the desired weight sensation by applying an appropriate force with the
動的制御インターフェースに対して接続するために、ユーザーはまず、ハーネス616を装着し、続いて、スイベルハーネス固定具を下げ、その中に単に進み、それを引っ張り上げ、そして側方ピボットポイント611へと嵌め込む必要がある。
To connect to the dynamic control interface, the user first wears
本発明の実施形態および用途を図示しかつ説明してきたが、上述したよりも多くの変更が本発明の技術的思想から逸脱することなく可能であることは当業者にとって自明である。本発明は、したがって、特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。 While embodiments and applications of the present invention have been illustrated and described, it will be apparent to those skilled in the art that many more modifications than those described above can be made without departing from the spirit of the invention. Accordingly, the invention is limited only by the following claims.
7 端部ローラー
101 駆動シャフト
102 ホイール
103 フレーム
104 電気モーター
204 スプロケット
305 クロスビーム
307 ローラー
308 ローラーチェーン
309 クリップ
311 ボールトランスファー
312 ローラー
313 コンベアベルト
314 孔
314a テーパー状ロッド
316 小フランジ
318 アライメントローラー
416 ジンバル
418 リニアアクチュエータ
601 垂直チューブ
602 プーリー
603 ロッド
604 浮遊フレーム
605 ベアリングブロック
606 アクチュエータ
607 プーリー
609 ケーブル
610 フープローラー
611 側方ピボットポイント
613 ケーブル
616 シザー連結機構
617 ピボットハーネスアセンブリ
618 ハーネス
7
Claims (9)
フレームと、
実質的に平坦な上面を有する連続ループを形成するために互いに連結された複数のクロスビームであって、前記複数のクロスビームのそれぞれが内面および外面を有する、クロスビームと、
前記フレームに搭載されかつ前記連続ループを駆動するために前記複数のクロスビームに連結されたクロスビーム駆動機構と、
単一のコンベアベルトであって、各クロスビームの前記外面の端から端へと進行し、かつ、各クロスビームの前記内面の第1の端部から、隣接するクロスビームの前記内面の第2の反対側の端部へと螺旋状に進行する、単一のコンベアベルトと、
前記コンベアベルトに組み合わされたコンベアベルト駆動機構と、
を備えることを特徴とする全方向トレッドミル。 An omnidirectional treadmill,
Frame,
A plurality of cross beams coupled together to form a continuous loop having a substantially flat top surface, each of the plurality of cross beams having an inner surface and an outer surface ;
A cross beam drive mechanism mounted on the frame and coupled to the plurality of cross beams to drive the continuous loop;
A single conveyor belt that travels from end to end of the outer surface of each cross beam and from the first end of the inner surface of each cross beam to the second of the inner surface of an adjacent cross beam; A single conveyor belt that spirals to the opposite end of the
A conveyor belt drive mechanism combined with the conveyor belt;
An omnidirectional treadmill characterized by comprising:
前記浮遊フレーム上に加えられる垂直力の大きさを制御するために前記垂直サポートの一つに接続されたアクチュエータと、
をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の全方向トレッドミル。 A dynamic control interface including a floating frame with sliding attachments to the four vertical supports and to all four of the vertical supports via pulleys so that the floating frame maintains a level for the omnidirectional treadmill A single cable to work,
An actuator connected to one of the vertical supports to control the amount of vertical force applied on the floating frame;
The omnidirectional treadmill according to claim 1, further comprising:
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